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溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?

發(fā)布時間:2019-08-06 責任編輯:wenwei

【導讀】工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜,傳感器距離控制器往往很遠,對于測溫傳感器PT100,傳感器阻值變化0.385Ω/℃,因此過長導線的線阻抗不可忽視,消除導線引來的測量誤差,是提高PT100測量精度必須解決的問題。
 
常用鉑熱電阻PT100是一種具有正溫度系數(shù)的感溫傳感器,即隨溫度升高,傳感器自身阻值呈正相關的變化,如圖1,被測對象的溫度每上升1℃,PT100的阻值隨之增加0.385Ω,在-200℃~850℃的區(qū)間內,鉑熱電阻PT100良好的線性度,為開發(fā)者開發(fā)提供了高精度測量的保障,這是PT100應用廣泛的原因之一。
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?
圖1 PT100曲線
 
PT100可作為高精度測溫傳感器,功能優(yōu)異,但是在工業(yè)環(huán)境復雜的情況下,傳感器冗長的導線會帶來線阻抗,這對于0.385Ω/℃,若想保證0.1度的精度,即需要保證線阻抗引來的誤差必須小于38.5mΩ,而為了不引入傳感器PT100自身熱效應帶來的誤差,PT100的恒流源電流一般設置在0.1mA~1mA,若恒流源設置在1mA,由式1.1計算可得,誤差電壓須小于38.5uV,這是排除噪聲影響下的估算。
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?(1.1)
 
因此,想要得到高精度測溫效果,必須消除傳感器線阻抗帶來的誤差影響,行業(yè)內一般接線有三種方式,如表1。
 
表1 PT100通用接法
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?
 
由表1可以看出,兩線制接法線阻抗誤差最大,且無法排除;四線制接法也稱開爾文氏接法,最為精準且簡單,但是需要接口資源比較多;三線制接法可以通過計算排除線誤差,節(jié)約接口資源,但是需要三根線等阻抗,這也是比較容易實現(xiàn)的。
 
針對復雜的工業(yè)環(huán)境,客戶對于高精度測溫產品的需求,ZLG致遠電子推出一款雙通道高精度熱電阻PT100隔離測溫模塊TPS02R,可以實現(xiàn)在-200℃~850℃的區(qū)間內測量精度為0.02%±0.1℃,10ppm低溫漂指標。
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?
圖2 三線制接法運用
  
如圖2,三線制接法采集電壓信號,由后端PGA提供增益放大,經ADC模數(shù)轉換,輸出數(shù)字信號給MCU處理,由于A,B,C三線均存在線阻抗RL1,RL2,RL3。這里可以通過安裝標準三線制PT100,可保證:
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?(1.2)
 
恒流源流經共模電阻R,為ADC提供一定的共模電壓,ADC差分輸入通道分別測量AB,AC兩端電壓溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?,溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?。已知:
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?(1.3)
 
結合式1.2,經過計算處理:
 
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?(1.4)
 
通過式1.4,可以得到完全消除線阻抗誤差的PT100測量值,實現(xiàn)高精度溫度測量。三線制接法可以在實現(xiàn)與四線制相同測量精度的同時,節(jié)省出一個接線端子,這對于對用戶開發(fā)小型化產品優(yōu)勢很大,三線制接法只要保證A,B,C等阻抗,即可保證線阻抗的引入誤差基本可忽略不計。
 
ZLG致遠電子TPS02R在三線制接法的基礎上,對恒流源做優(yōu)化處理,利用運放負反饋原理,提高恒流源穩(wěn)定性,并為ADC輸入提供一定共模電壓,為ADC差分測量提供保證,并賦予監(jiān)測報警功能。具體測量數(shù)據如表2。
 
表2 ZLG測溫方案驗證數(shù)據
溫度測量:如何消除線阻抗引入的誤差?
 
 
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